京沪高铁的真正胎动出现在1990年。这一年铁道部推动了两件与高铁有关的大事，标志着京沪高铁的前期工作正式启动。第一件事是给国务院写了一个报告，名字叫《关于“八五”期间开展高速铁路技术攻关的报告》。第二件事是完成了一份给全国人大的报告，名字叫《京沪高速铁路线路方案构想报告》。
1991年年初，铁道部给下属的第四勘察设计院下了通知，要求对京沪高铁沿线进行现场勘察。当年4月，铁四院就完成了两个报告，分别是《北京至南京段高速客运系统规划方案研究报告》和《沪宁段高速客运系统规划研究报告》，铁四院把京沪高铁拆成了两段，北京到南京段，南京到上海段。
1992年6月，经过近一年的考察和研究，铁四院提交了《新建铁路京沪高速铁路南京至上海段可行性研究报告》，中国高铁发展史上第一份正式的可行性研究报告诞生。这份可行性研究报告只印制了五十余本，给国家计委送了4本，给军方送了4本，给上海、江苏两省市地方政府送了7本。根据这份可行性研究，京沪高铁将按照时速250公里建设，预留时速300公里，远期看齐时速350公里，其中京沪高铁沪宁段计划在2000年建成通车，而京沪高铁全线计划在2010年建成通车。
在这份可行性报告之后，国内却陷入了“磁浮派”与“轮轨派”的争论，两方争执不下，铁路方面显然是倾向于轮轨技术的。1999年9月，一次高级别的关于“磁浮派”与“轮轨派”争论的会议在京举行。这次论证会，“磁浮派”获得了胜利，但是胜果未如预期，在京沪高铁就上马磁浮技术不被大多数专家看好；“轮轨派”则是元气大伤，此后京沪高铁可行性研究停止了。
2000年，科技部正式成立了磁浮可行性研究小组，严陆光担任组长。北京、上海、深圳三个中国经济走在最前面的城市为此展开了竞争，在最终的比选中上海胜出。时任上海市长、中国工程院院士徐匡迪对磁浮技术非常热心。8月份，上海申通联合上海宝钢、上汽集团等6家企业，联合发起成立了上海磁浮交通发展有限公司。2001年1月23日，磁浮公司与德国西门子公司、蒂森公司、磁浮国际公司签署合同，合同金额12.93亿德国马克。这只是一个购买合同，没有技术转让内容。
对“磁浮派”而言，上海磁浮试验线的胜利反而成了“磁浮派”衰落的转折点。尽管成功建成了磁浮试验线，但是高企的造价及巨额的运营成本，让磁浮技术劣势尽显，“磁浮派”再也没有底气继续坚持大规模上马磁浮技术了。
2002年10月，傅志寰卸任铁道部党组书记，刘志军接任；2003年6月28日，铁道部在北京召开铁路跨越式发展座谈会。铁道部主要领导在会上做了《落实“三个代表”要求，抓住新的历史机遇，努力实现中国铁路跨越式发展》的报告，全面系统地阐述了跨越式发展路线。2004年1月7日，国务院召开常务会议，讨论并原则通过了《中长期铁路网规划》。
2004年4月1日，中共中央政治局常委、国务院副总理黄菊，国务院副总理曾培炎，主持会议专题研究铁路机车车辆装备有关问题。会后下发了《研究铁路机车车辆装备有关问题的会议纪要》，通过引进消化吸收再创新来全面提升改造中国铁路工业体系的方针被确定下来。会议明确了中国铁路装备技术引进的总原则：“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”。
2004年6月17日，动车组招标公告正式发出，就铁路第六次大提速所使用的动车组进行公开招标，要求能够满足时速200公里运营，总计140列。这次招标对投标企业资格进行了严格限定，规定必须是“在中华人民共和国境内合法注册的，具备铁路动车组制造能力，并获得拥有成熟的时速200公里铁路动车组设计和制造技术的国外合作方技术支持的中国制造业（含合资企业）”。
2004年8月27日，200公里动车组投标结果对外公布，四方股份公司、长客股份公司各自获得了3包60列动车组订单；四方庞巴迪公司则拿下了1包20列动车组订单。
2005年6月，第二轮动车组采购正式启动，目标是时速300公里动车组，参与竞争性谈判的包括中车四方股份公司、四方庞巴迪公司以及唐山公司与西门子公司的结合体。因为日本公司不再转让时速300公里的动车组技术，中车四方股份公司单独投标了，计划在原先时速200公里的CRH2A的基础上自主开发时速300公里的动车组CRH2C，成功拿下了60列订单。四方庞巴迪则继续从庞巴迪公司导入新技术，也成功拿下了40列动车组订单。唐山公司与西门子联合体也同样拿到了60列动车组订单。
2007年1月28日，首批10列CRH2A型动车组在沪杭铁路与沪宁铁路上投入载客运营，“和谐号”动车时代悄然开启。
2008年10月，《中长期铁路网规划（2008年调整）》正式获国家批准，这就是中国高铁网的2.0版本。与1.0版本相比，2.0版本调整的核心就是铁路网络的进一步扩大，将2020年全国铁路营业里程规划目标由10万公里调整为12万公里以上，其中高速铁路由1.2万公里调整为1.6万公里。
2010年7月19日，京沪高铁先导段率先开始铺轨，10月底先导段铺轨完成，11月15日，京沪高铁全线铺轨完成。2010年12月3日，铁道部在京沪高铁枣庄至蚌埠试验段举行CRH380A（L）上线仪式，并于同日进行高速试验。
2011年3月，新一届铁道部领导班子开始酝酿降速。6月30日设计时速380公里的京沪高铁按照时速300公里开通运营。中国高铁降速之路正式开启。7月1日，武广高铁、郑西高铁、沪宁城际高铁降速至时速300公里运营。高铁降速时代全面来临。22天后，7月23日，震惊中外的甬温线动车事故发生。
2013年3月10日，全国“两会”期间，国务院公布了机构改革和职能转变方案，铁路实施政企分开改革，撤销铁道部，成立中国铁路总公司。
2015年夏天，中国高铁的另外一个突破就是中国标准动车组的下线。6月30日，由四方股份公司研制的CRH-0207与长客股份公司研制的CRH-0503在北京铁科院环形试验线举行了发布仪式。
2016年6月29日，李克强总理主持召开国务院第139次常务会议，原则上通过了《中长期铁路网规划》，“四纵四横”高速铁路网正式升级为“八纵八横”。中国高速铁路网3.0版正式面世。
